Integrierte Schaltung mit Leistungshalbleiterschalter

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter sowie eine elektroni sche Schaltung mit einer derartigen integrierten Schaltung.

Es ist bekannt, in elektronischen Schaltungen wie z.B. Um richtern oder Schaltnetzteilen als aktive Schaltelemente Leistungshalbleiter einzusetzen, beispielsweise MOSFETs, IG- BTs oder GaN-HEMTs. Um gewünschte Strom- und/oder Spannungs verläufe zu erhalten, werden diese mit hohen bis sehr hohen Frequenzen (von einigen Kilohertz bis hin zu etlichen Mega hertz) ein- und ausgeschaltet. Das Verhältnis der Einschalte- dauer zur Periodendauer bestimmt dabei den Effektivwert von Strom bzw. Spannung.

Für die Regelung eines Systems mit einem solchen Leistungs halbleiter, insbesondere für die Bestimmung der optimalen Schaltzeitpunkte, werden Informationen über Ströme und Span nungen an verschiedenen Punkten der Schaltung benötigt. Von besonderem Interesse sind dabei die durch die Leistungshalb leiterschalter fließenden Ströme.

Diese werden bislang, wie aus dem Stand der Technik bekannt oder durch diesen zumindest nahegelegt ist, mittels zusätzli cher diskreter Schaltungen erfasst. Die Messung des durch ei nen Leistungshalbleiter fließenden Stromes kann beispielswei se mittels Messshunts mit Verstärkerschaltungen oder Strom wandlern erfolgen. Eine galvanische Trennung zwischen den stromführenden Teilen des Leistungshalbleiters und der Regel schaltung, welcher der Messwert zugeführt wird, ist nicht o- der nur mit großem Aufwand realisierbar und beeinträchtigt die maximale Betriebsfrequenz des Gesamtsystems erheblich.

Alternativ kann mit teurer Laborausrüstung der Verlauf von Strom und/oder Spannung für eine typische Anwendung vermessen und in Form von Kennlinien in Speichern der Regler hinterlegt werden. Auf die Messung im Realbetrieb wird dann komplett verzichtet. Nachteilig daran ist, dass für von den Laborbe dingungen abweichende Betriebszustände die Ansteuerung des Leistungshalbleiters nicht mit den optimalen Parametern er folgt, was zu einem schlechteren Wirkungsgrad des Gesamtsys tems führt .

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung mit einem Leistungshalbleiter anzuge ben, die diese Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine integrierte Schaltung mit einem Leistungshalbleiterschalter und einer Vorrichtung zur Ermittlung des durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stromes sowie einer Schaltung zur Bereitstellung eines eine Eigenschaft des durch den Leistungshalbleiter schalter fließenden Stroms repräsentierenden Wertes an einem Ausgang der integrierten Schaltung.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein System mit ei ner derartigen integrierten Schaltung sowie einem Regler, welcher den Leistungshalbleiterschalter über einen Steuerein gang der integrierten Schaltung entsprechend eines Soll-Be- triebszustands der integrierten Schaltung ansteuert und die Ausgaben an den Ausgängen der integrierten Schaltung auswer tet, daraus einen Ist-Betriebszustand der integrierten Schal tung ermittelt, diesen mit dem Soll-Betriebszustand ver gleicht und die Ansteuerung der integrierten Schaltung modi fiziert, falls der Ist-Betriebszustand vom Soll-Betriebs- zustand abweicht.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen An sprüchen angegeben.

Die Integration des Leistungshalbleiterschalters und der Vor richtung zur Ermittlung des durch den Leistungshalbleiter ak tuell fließenden Stromes gemäß der vorliegenden Erfindung bietet gegenüber der mit herkömmlicher Technik realisierbaren externen Beschaltung eines Leistungshalbleiterschaltungsmo duls mehrere Vorteile. Zum einen werden parasitäre Elemente, insbesondere parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, auf ein Minimum reduziert, so dass die Auswirkungen der erfin dungsgemäßen integrierten Vorrichtung zur Ermittlung des durch den Leistungshalbleiter aktuell fließenden Stromes auf die maximale Betriebsfrequenz deutlich geringer sind als bei einer externen Beschaltung. Die Robustheit der Schaltung ge genüber Störungen, die zwangsläufig durch das Schalten her vorgerufen werden, erhöht sich deutlich und auch andere Para meter der Schaltung wie z.B. Laufzeiten lassen sich deutlich verbessern .

Insbesondere für neuartige Leistungshalbleiterschalter auf Basis von GaN oder SiC, welche sehr hohe Schaltgeschwindig keiten und -frequenzen ermöglichen, werden hinreichend schnelle Regelschleifen durch die vorliegende Erfindung über haupt erst ermöglicht.

Ferner ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen durch die Integration der Vorrichtung zur Ermittlung des durch den Leistungshalbleiter aktuell fließenden Stromes und des Leis tungshalbleiterschalters in einer einheitlichen integrierten Schaltung gegenüber der mit herkömmlicher Technik realisier baren externen Beschaltung eines Leistungshalbleiterschal tungsmoduls. Dies gilt für alle Ausführungsbeispiele der vor liegenden Erfindung und in besonderem Maße für das Ausfüh rungsbeispiel, bei dem alle Elemente auf einem einheitlichen Die realisiert werden.

Schließlich ergibt sich ein deutlich verringerter Platzbedarf durch die Integration in einer einheitlichen integrierten Schaltung, durch den sich weitere Kosten- und andere Vorteile ergeben (z.B. geringerer Platzbedarf der elektronischen Kom ponenten, kompaktere Bauform des Gesamtsystems) . Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er findung anhand von vier Zeichnungen in schematischer Darstel lung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine integrierte Schaltung 100 umfasst einen Leis tungshalbleiterschalter 110 und eine Vorrichtung 120 zur Er mittlung des durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stromes, beispielsweise eine Messschaltung (nicht darge stellt) , die einen geringen, aber auswertbaren Spannungsab fall über einem niederohmigen Messwiderstand im durch den Leistungshalbleiterschalter 110 geschalteten Strompfad zwi schen den Pins 101 und 102 der integrierten Schaltung 100 hervorruft .

Der durch die Vorrichtung 120 ausgegebene Spannungswert wird einer Schaltung 130 zugeführt, die daraus eine Eigenschaft des durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stroms ermittelt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 handelt es sich bei der Schaltung 130 um eine Vergleicherschaltung, die den von der Vorrichtung 120 ausgegebenen Spannungswert mit dem Spannungswert Null vergleicht und als Ausgabewert folglich die Polarität des von der Vorrichtung 120 ausgegebenen Span nungswerts (welche der Polarität des durch den Leistungshalb leiterschalter fließenden Stromes entspricht) als Binärwert ausgibt. Dieser Ausgabewert wird am Ausgang 131 der inte grierten Schaltung 100 bereitgestellt und kann von einem (nicht dargestellten) Regler verwendet werden, um die Schalt vorgänge zu optimieren, beispielsweise indem der Regler die Schaltfrequenz und/oder das Verhältnis der Einschaltedauer zur Periodendauer des Schaltvorgangs mittels eines geeigneten Signals am Schalteingang 111 der integrierten Schaltung be einflusst .

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Abwandlung zum im Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel umfasst eine integrierte Schaltung 200 neben dem Leistungshalbleiterschalter 210, der Vorrichtung 220 zur Ermittlung des durch den Leistungshalbleiterschalter fließen den Stromes und der Schaltung 230, welche die Eigenschaft des durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stroms er mittelt, einen Eingang 233 für eine Referenzspannung, mit welcher der von der Vorrichtung 220 ausgegebene Spannungswert verglichen wird (anstelle des Vergleichs mit Null wie im Aus führungsbeispiel der Fig. 1) . Die binäre Ausgabe am Ausgang 231 der integrierten Schaltung 200 zeigt damit an, ob der Strom im durch den Leistungshalbleiterschalter 110 geschalte ten Strompfad zwischen den Pins 201 und 202 einen bestimmten, vorgebbaren Wert über- oder unterschreitet. Wiederum kann dieses Signal von einem (nicht dargestellten) Regler verwen det werden, um die Schaltvorgänge zu optimieren, beispiels weise indem der Regler die Schaltfrequenz und/oder das Ver hältnis der Einschaltedauer zur Periodendauer des Schaltvor gangs mittels eines geeigneten Signals am Schalteingang 211 der integrierten Schaltung beeinflusst. Dabei kann nicht nur die Polarität des Stroms (mittels Eingabe eines Spannungswer tes von Null am Eingang 233) als Entscheidungskriterium zu grundegelegt werden, sondern die Über- oder Unterschreitung eines beliebigen Referenz-Stromwertes, der für jeden Messzyk lus (oder für jeden n-ten Messzyklus) durch den Regler neu vorgegeben werden kann. In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann der Wert für die Referenzspannung am Eingang 233 als analoges oder als digitales Signal bereitgestellt werden .

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Abwandlung zum in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel umfasst eine integrierte Schaltung 300 neben einem Leistungshalbleiterschalter 310, einer Vorrichtung 320 zur Ermittlung des durch den Leistungshalbleiterschalter fließenden Stromes und einer Schaltung 330, welche die Pola rität des fließenden Stromes ermittelt und als binäres Signal an einem Ausgang 331 ausgibt, eine Vorrichtung 340 zur Er mittlung des Spannungsabfalls über dem Leistungshalbleiter schalter sowie eine Schaltung 350 zur Bereitstellung eines eine Eigenschaft des Spannungsabfalls über dem Leistungshalb- leiterschalter repräsentierenden Wertes an einem weiteren Ausgang 351 der integrierten Schaltung. Im Ausführungsbei spiel der Fig. 3 handelt es sich bei der Schaltung 350 um ei ne Vergleicherschaltung, die den von der Vorrichtung 340 aus gegebenen Spannungswert mit einem Schwellwert Vthr vergleicht und das Vergleichsergebnis als Binärwert am weiteren Ausgang 351 bereitstellt .

Durch die Kombination der Ermittlung der Polarität des Stro mes und der Ermittlung, ob der Spannungsabfall über dem Leis tungshalbleiterschalter einen bestimmten Wert überschreitet, können ungünstige Betriebszustände des Leistungshalbleiter schalters (angezeigt z.B. durch einen Spannungsabfall größer Vthr bei gleichzeitigem Vorliegen eines positiven Stromflus ses) durch den Regler detektiert und durch Änderung der An steuerung des Leistungshalbleiterschalters behoben werden. Ferner ist es möglich, bei bestimmten Zuständen in der Schal tung direkt den optimalen Schaltschaltpunkt zu wählen (z.B. einzuschalten, wenn in einer resonanten Topologie die Span nung über dem Schalter fast auf null gefallen ist) .

In Abwandlung zu den in Fig. 3 fest vorgegebenen Vergleichs werten (Null für die Strommessung und Vthr für die Spannungs messung) , die den Vergleicherschaltungen 330 und 350 zuge führt werden, ist es natürlich möglich, die mit Bezug auf Fig. 2 erläuterten Prinzipien analog auch für die in Fig. 3 dargestellte integrierte Schaltung anzuwenden. Für die Strom messung kann ein zusätzlicher Eingang vorgesehen werden

(nicht dargestellt) , der anstelle des festen Wertes Null mit der Vergleicherschaltung 330 verbunden wird und über den ein Referenzwert für die Strommessung eingegeben werden kann. Für die Spannungsmessung kann alternativ oder zusätzlich ein wei terer zusätzlicher Eingang vorgesehen werden (nicht darge stellt) , der anstelle des festen Wertes Vthr mit der Verglei cherschaltung 350 verbunden wird und über den ein Referenz wert für die Spannungsmessung eingegeben werden kann. Wiede rum kann in verschiedenen Ausgestaltungen die Eingabe der Re- ferenzwerte an den zusätzlichen Eingängen als analoges oder als digitales Signal erfolgen.

Fig. 4 schließlich zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Aus führungsbeispiel handelt es sich um eine vereinfachte Varian te des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei jeweils die einfachsten möglichen Schaltungen zur Bereitstel lung der den Strom und den Spannungsabfall repräsentierenden Werte - einfache elektrische Verbindungen 430 und 450 - zur Anwendung kommen.

Fig. 4 zeigt also eine integrierte Schaltung 400 mit einem Leistungshalbleiterschalter 410, der durch an einem Steuer eingang 411 angelegte Steuersignale gesteuert wird und einen Strompfad zwischen zwei Pins 401 und 402 leitend oder nicht leitend schaltet. Die integrierte Schaltung 400 weist eine Vorrichtung 420 zur Ermittlung des durch den Leistungshalb leiterschalter fließenden Stromes auf sowie eine direkte Ver bindung 430 zur Bereitstellung des Spannnungswertes , welcher den Wert des fließenden Stroms repräsentiert, in Form eines Analogsignals am Ausgang 431 der integrierten Schaltung. Fer ner weist die integrierte Schaltung 400 eine Vorrichtung 440 zur Ermittlung des Spannungsabfalls über der Leistungshalb leiterschalter sowie eine weitere Verbindung 450 zur Bereit stellung dieses Spannungswertes als Analogsignal an einem weiteren Ausgang 451 der integrierten Schaltung auf. Einge bettet in ein übergeordnetes System können die Werte für Strom und Spannung an den Klemmen 431 und 451 der integrier ten Schaltung 400 wiederum für die Optimierung des Arbeits punktes des Leistungshalbleiterschalters verwendet werden.

Alternativ zur analogen Ausgabe am Ausgang 431 und/oder am Ausgang 451 kann auch eine digitale Ausgabe erfolgen. Hierfür werden im Pfad 430 und/oder im Pfad 450 entsprechende A/D- Wandler vorgesehen (nicht dargestellt) . Es sei darauf hingewiesen, dass die im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erläuterten Prinzipien in beliebiger Weise miteinander kombinierbar sind. Besonders vorteilhaft ist es, die Vorrichtungen 120, 220,

320, 420 und die Schaltungen 130, 230, 330, 430 und/oder die Vorrichtungen 340, 440 sowie die Schaltungen 350, 350 gemein sam mit dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter 110, 210, 310, 410 auf einem gemeinsamen Die zu realisieren. Wo dies aufgrund der verwendeten Halbleitertechnologie (noch) nicht vollständig möglich ist, können mehrere Dies verwendet wer den, die in einem gemeinsamen Gehäuse zu einer integrierten Schaltung zusammengefasst werden. Die vorstehende Beschreibung stellt nur die bevorzugten Aus führungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht als Defi nition der Grenzen und des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen gehören zum Schutzbereich der beigefügten Ansprüche.